Spremljanje degradacije visoko-temperaturnih elektrolizerjev z namenom povečanja življenjske dobe
Oznaka in naziv projekta
NC-0003 Spremljanje degradacije visoko-temperaturnih elektrolizerjev z namenom povečanja življenjske dobe
NC-0003 On-line Degradation Monitoring for Extended Durability of High Temperature Steam Electrolysers
Logotipi ARRS in drugih sofinancerjev
Projektni partnerji
Institut "Jožef Stefan"
CEA/DRT/LITEN
Projektna skupina
Vodja projekta: prof. dr. Đani Juričić
Sodelavci IJS
- Boštjan Dolenc
- Pavle Boškoski
- Marko Nerat
Sodelavci CEA/DRT/LITEN
- Bertrand Morel
- Julie Mougin
Vsebinski opis projekta
Visoko-temperaturni elektrolizerji so obetavna tehnologija za proizvodnjo vodika. Žal, z visoko temperaturo so povezani negativni procesi, ki zmanjšujejo njeno učinkovitost. Tu gre predvsem za prehitro degradacijo kar ima za posledico zmanjšanje učinkovitosti tekom časa. Zmanjšanje hitrosti degradacije je eden poglavitnih izzivov, ki jih je treba rešiti za intenzivnejšo komercialno uporabo omenjenih naprav. Degradacijski procesi so še vedno premalo razumljeni. Poleg tega, še ni postopkov za sprotno spremljanje degradacije in izvajanja optimalnih ukrepov. Zato se kaže velika potreba po študiju postopkov za sprotno zaznavanje degradacijkih mehanizmov. Klasična elektrokemijska impendančna spektroskopija (EIS) je sicer uporabna za karakterizacijo stanja, toda ima vrsto pomanjkljivosti. Predvsem, podaja linearizirano sliko procesa in ne njegove globalne lastnoti. Prav tako ni enostavna povezava med EIS diagrami in degradacijskimi mehanizmi. Nemen projekta je razviti alternativne postopke za ocenjevanje stanja elektrolizerjev. V tan amen bomo preučili celovit pristop k modeliranju in bomo razvili modele na podlagi novega razreda tim. “fractional order models” (FOS). Tovrstni modeli se kažejo kot primerni za opis procesov z anomalnimi difuzijami. Nekaj spodbudnih rezultatov je objavljeno na področju baterij, ničessar pa na področju visokotemperaturnih elektrolizerjev. Delo temelji na rezultatih skupnihprizadevanj skupine na CEA in IJS v še tekočem bilateralnem projektu, ki se konča sredi 2018. CEA bo nadaljevala s serijo poskusov na življenjsko dobo na prototipih kratkih skladov pri različnih delovnih pogojih. Merilno proga, ki smo jo skupaj razvili v prejšnjem projektu bomo uporabili za preikuse vzbujanja elektrolizerja tekom delovanja. Dobljene signale bomo uporabili za sintezo FOS modelov, ki bodo služili za sintezo značilk za karakterizacijo stanja naprave. Glavni rezultat projekta so novi algoritmi za identifikacijo degradacijkih procesov sproti tekom delovanja naprav. Na podlagi tega bo možno opraviti pravočasne posege v smislu optimalnih delovnih pogojev in tako podaljšati življenjsko dobo elektrolizerja.
Osnovni podatki sofinanciranja so dostopni na spletni strani. Povezava na SICRIS.
Faze projekta
- Analiza zahtev
Definirani so delovni pogoji za novi sklop meritev čez celo življenjsko dobo kratkega sklada celic.
- Potek na življenjsko dobo trdno oksidnih celic
Posodobili smo sistem za zajemanje podatkov z modulom, ki sočasno vzorči s frekvenco 1MHz na vsakem kanalu merilnika. S tem se bistveno razširi merilni spekter in posledično tudi analiza visokofrekvenčnih lastnih načinov sklada. Vgradili smo dodaten programski modul za nadzor napetosti celic. Opravljen je test na življenjsko dobo.
- Nova metodologija za karakterizacijo stanja
Uporabili smo lastni izvirni pristop tim. hitre impedančne spektroskopije, kjer impedančno krivuljo ocenimo iz odziva na naključni binarni signal (DRBS) s katerim kratko vzbudimo celico ali sklad. Z uporabo kompleksne valčne transformacije se potem oceni impedančna krivulja, na kar se na podlagi te ocenijo parametri nadomestnega električnega modela [1].
Za opis dinamike celic trdno oksidnih celic se uporabljajo modeli sistemov ne-celoštevilskega reda (ang. fractional order systems, FOS. Namesto običajnih operatorjev odvajanja uporabljajo ne-celoštevilsko odvajanje. Za ocenjevanje parametrov sistemov trdno oksidnih celic smo uporabili časovno učinkovit Bayesov variacijski model (VB).Rezultate VB smo primerjali s pristopom Markov chain Monte carlo (MCMC). Z uporabo simuliranih in resničnih podatkov pokažemo, da so rezultati pristopa VB nekoliko optimistični, a še vedno zelo blizu MCMC rezultatom. Velika prednost, ki jo dobimo z uporabo pristopa VB, je zelo majhna računska zahtevnost, ki je več redov velikosti manjša v primerjavi z MCMC. Učinkovitost pristopa VB je bila demonstrirana na primeru ocenjevanja parametrov nadomestnega električnega modela na 6-celičnem skladu trdno oksidnih gorivnih celic [2].
Da bi bolje razumeli process degradacije v odvisnosti od delovnih pogojev celice ter potem povezavo z enostavnejšimi nadomestnimi modeli, smo razvili več-fizikalne modele celice za primer aglomeracije niklja (Ni) v anodi trdno oksidne celice (ang. solid oxide cell - SOC). Aglomeracija niklja je glavni degradacijski proces, ki se dogaja pri visoki temperaturi delovanja. Ta pospešuje rast delcev Ni znotraj porozne anode. Zaradi večanja delcev Ni se manjša efektivna dolžina stikov med trdno, elektrolitsko in plinasto fazo (ang. triple phase boundary, TPB). Elektrokemične lastnosti SOFC se zato slabšajo, kar se odraža na povečani polarizacijski upornosti anode, in posledično na nižji izhodni napetosti SOC. Za preučevanje električnih zmogljivosti degradirane celice smo zgradili dvo-dimenzionalni (2-D), mikro strukturni model za anodno podprte SOC v programskem paketu Matlab R2016b [3]. Namen modela je sprotno ocenjevanje izhodne napetosti (ali toka) SOC po določenem času simulacije.
4. Razširjanje
Rezultate smo objavili v obliki treh objav in sicer Journal of Power Sources, Energies in Applied Energy.
5. Vodenje projekta
Projektna skupina IJS in CEA sodelujeta pd leta 2014 in sta vzpostavila zaupanje in tesno sodelovanje. Formalnih dokumentov nismo sklepali, ker smo ocenili, da verjetno ne bo patentov iz naslova projekta. CEA sogla[a z uporabo za raziskovalne namene.
Bibliografske reference
- [1] NUSEV, Gjorgji, MOREL, Bertrand, MOUGIN, Julie, JURIČIĆ, Đani, BOŠKOSKI, Pavle. Condition monitoring of solid oxide fuel cells by fast electrochemical impedance spectroscopy: a case example of detecting deficiencies in fuel supply. Journal of power sources, ISSN 0378-7753, 2021, vol. 489, str. 229491-1-229491-10, doi: 10.1016/j.jpowsour.2021.229491.
- [2] ŽNIDARIČ, Luka, NUSEV, Gjorgji, MOREL, Bertrand, MOUGIN, Julie, JURIČIĆ, Đani, BOŠKOSKI, Pavle. Evaluating uncertainties in electrochemical impedance spectra of solid oxide fuel cells. arXiv preprint arXiv:2101.08049 (2021)(sprejeto v objavo v Applied Energy)
[3] NERAT, Marko. A model of solid oxide fuel cell degradation on a microstructural level. Applied sciences, ISSN 2076-3417, 2020, vol. 10, str. 1906-1-1906-18. https://www.mdpi.com/2076-3417/10/6/1906, doi: 10.3390/app10061906.
[[ARRSProjekti/Sezn amARRSProjekti|Nazaj na seznam projektov po letih]]